DE3422777A1 - Controlled rectifier element, which is connected to an inductor, and its use - Google Patents

Controlled rectifier element, which is connected to an inductor, and its use

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Abstract

A field-effect transistor (F1) which is operated in the reverse direction is used for a controlled rectifier element which is connected to an inductor (W). The field-effect transistor (F1) is controlled via a current transformer (Ü) such that current can flow only during the demagnetisation of the inductor (W). This arrangement is suitable especially for low-power voltage converters having a pulsed current with gaps. <IMAGE>

Description

Mit einer Induktivität beschaltetes gesteuertes Controlled one wired with an inductance

Gleichrichterelement, sowie dessen Verwendung Die Erfindung betrifft ein beschaltetes Gleichrichterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Gleichrichterelement ist bekannt aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66. The invention relates to rectifier element and its use a wired rectifier element according to the preamble of the claim 1. Such a rectifier element is known from Frequency 36 (1982), pages 62 to 66.

Gleichrichterelemente können zur Verringerung der Verlustleistung durch in Rückwärtsrichtung betriebene FET ersetzt werden. Im Ersatzschaltbild eines solchen FET erscheint der Drain-Sourcewiderstand parallel zu einer Diode. Im Durchschaltzustand (FET angesteuert) treten als Verlustleistung nur die ohmschen Verluste des Drain-Sourcewiderstandes RDS(on) auf. Diodenschwellwerte spielen keine Rolle, sodaß sich ein solches Gleichrichterelement insbesondere für Kleinleistungsspannungswandler eignet. Das aus Frequenz 36 (1982), Seiten 62 bis 66, bekannte Gleichrichterelement besitzt diese Vorteile, eignet sich jedoch nicht für Spannungswandler mit Stromlückbetrieb, welcher insbesondere bei Sperrwandlern auftritt. Spannungswandler mit galvanischer Trennung wie sie beispielsweise im ISDN-Netz (Integrated Service Digital Network) bei einer Ruheleistung von L30 mW pro Teilnehmer gefordert sind, lassen sich mit bekannten Maßnahmen nicht verwirklichen, Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gleichrichterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welches bei kleiner Verlustleistung auch Stromlückbetrieb durch eine Speicherinduktivität, insbesondere Dreiecksstrombetrieb zuläßt. Außerdem soll eine Verwendung für ein solches Gleichrichterelement angegeben werden.Rectifier elements can help reduce power dissipation be replaced by reverse FETs. In the equivalent circuit diagram of a such FET the drain-source resistance appears parallel to a diode. In the switched state (FET controlled) only the ohmic losses of the drain-source resistance occur as power loss RDS (on) on. Diode threshold values play no role, so that such a rectifier element particularly suitable for low-power voltage converters. That from frequency 36 (1982), Pages 62 to 66, known rectifier element has these advantages, is suitable but not for voltage converters with current gap operation, which is particularly the case with Flyback converters occurs. Voltage converters with galvanic isolation like them, for example in the ISDN network (Integrated Service Digital Network) with an idle power of L30 mW per participant are required cannot be achieved with known measures, The object of the invention is therefore to provide a rectifier element according to the preamble of claim 1 to indicate which, with small power loss, also current gap operation allows through a storage inductance, in particular triangular current operation. aside from that a use for such a rectifier element is to be specified.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 bzw. durch die Ansprüche 2 und 3 gelöst. Anspruch 4 gibt eine vorteilhafte Weiterbildung an. Das Gleichrichterelement nach der Erfindung eignet sich auch für den Dreiecksstrombetrieb, d.h. auch während einer Stromlückzeit bei der sekundärseitigen Energieabgabe eines Sperrwandlers kann eine Steuerung des FET über einen Stromwandler erfolgen. Kleinleistungs-Spannungswandler mit galvanischer Trennung und sehr geringer Verlustleistung lassen sich mit dem Gleichrichterelement nach der Erfindung realisieren. Das Gleichrichterelement nach der Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz im ISDN-Netz, da hier erstmals teilnehmerindividuelle Spannungswandler vorgesehen sein sollen, die permanent Teilnehmerruheleistung aus der Fernmeldeamtsbatterie entnehmen. Hinsichtlich ihrer Verlustleistung minimierte Wandler sind deshalb besonders wichtig. Auch im Zusammenhang mit sonnenenergiegespeisten Verbrauchern eignet sich der Gleichrichter nach der Erfindung.This object is achieved by claim 1 or by claims 2 and 3 solved. Claim 4 gives an advantageous Continuing education. The rectifier element according to the invention is also suitable for triangular current operation, i.e. also during a power gap when the secondary-side energy output of a Flyback converter, the FET can be controlled via a current converter. Low power voltage converter with galvanic isolation and very low power dissipation can be used with the Realize rectifier element according to the invention. The rectifier element after the invention is particularly suitable for use in the ISDN network, since this is the first time subscriber-specific voltage converters should be provided, the permanent subscriber resting power from the telecommunications office battery. Minimized in terms of their power loss Converters are therefore particularly important. Also in connection with solar energy The rectifier according to the invention is suitable for consumers.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers mit einem Gleichrichterelement nach der Erfindung, Fig. 2 Zeitdiagramme ausgewählter Signale des Sperrwandlers und Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Flußwandlers mit einem Gleichrichterelement nach der Erfindung.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It 1 shows a basic circuit diagram of a flyback converter with a rectifier element according to the invention, Fig. 2 timing diagrams of selected signals of the flyback converter and FIG. 3 shows a basic circuit diagram of a forward converter with a rectifier element according to the invention.

Der Sperrwandler gemäß Fig. 1 setzt die Eingangsgleichspannung UE in die Ausgangsgleichspannung UA um. Im Primärkreis dieses Wandlers liegt ein über eine Steuereinrichtung St gesteuerter elektronischer Schalter S1 in Serie zur Primärwicklung wl eines Leistungsübertragers W. Die Steuereinrichtung St kann beispielsweise aus einem in Abhängigkeit von der Wandlerausgangsspannung gesteuerten Pulsbreitenmodulator bestehen. Im Sekundärkreis des Wandlers liegt das Gleichrichterelement Gl nach der Erfindung in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Der Leistungsübertrager W mit seiner Sekundärwicklung w2 bedeutet für das Gleichrichterelement Gl eine Beschaltung mit einer Speicherinduktivität. Parallel zu den Ausgangsklemmen K1 und K2 des Wandlers liegt ein Glättungskondensator C. Das Gleichrichterelement Gl besteht aus einem in Rückwärtsrichtung betriebenen FET F1, dessen Gateanschluß über die Sekundärwicklung ü2 eines Stromwandlers 0 Ansteuersignale erhält. Die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers ü liegt in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Der Wicklungssinn der Sekundärwicklung w2 ist gleich dem Wicklungssinn der Primärwicklung ü1. Die Drainelektrode des FET F1 ist an den der Klemme K1 abgewandten Anschluß der Serienschaltung, bestehend aus Sekundärwicklung w2 und Primärwicklung ü1, angeschlossen. Die Sourceelektrode des FET F1 führt zur Klemme K2. Zwischen den Klemmen K1 und K2 befindet sich die Serienschaltung der Schaltstrecken zweier kompementärer Transistoren T1 und T2, wobei der Transistor T1 vom NPN und der Transistor T2 vom PNP-Typ ist. Der Kollektor von T1 führt zu Klemme 1 und der Kollektor von T2 zur Klemme K1. Die Emitter von T1 und T2 sind mit dem Gateanschluß des FET F1 verbunden.The flyback converter according to FIG. 1 sets the input DC voltage UE into the DC output voltage UA. In the primary circuit of this converter there is a a control device St controlled electronic switch S1 in series with the primary winding wl of a power transformer W. The control device St can, for example, from a pulse width modulator controlled as a function of the converter output voltage exist. In the secondary circuit of the converter is the rectifier element Gl after Invention in series to the secondary winding w2 of the power transformer W. The power transformer W with its secondary winding w2 means for the rectifier element Gl a circuit with a storage inductance. In parallel with the output terminals K1 and K2 of the converter are a smoothing capacitor C. The rectifier element Gl consists of an FET F1 operated in the reverse direction and its gate terminal receives control signals via the secondary winding ü2 of a current transformer 0. The primary winding ü1 of the current transformer ü is in series with the secondary winding w2 of the power transformer W. The direction of winding of the secondary winding w2 is the same as the direction of winding of the primary winding ü1. The drain electrode of the FET F1 is connected to the terminal facing away from the terminal K1 the series circuit, consisting of secondary winding w2 and primary winding ü1, connected. The source electrode of the FET F1 leads to the terminal K2. Between terminals K1 and K2 is the series connection of the switching paths of two complementary transistors T1 and T2, the transistor T1 being of the NPN type and the transistor T2 of the PNP type. The collector of T1 leads to terminal 1 and the collector of T2 to terminal K1. the Emitters of T1 and T2 are connected to the gate terminal of the FET F1.

Die Basisanschlüsse von T1 und T2 führen über den gemeinsamen Basiswiderstand R1 zur Sourceelektrode des FET F1, bzw. zur Klemme K2. Die Basis-Emitterstrecken der Transistoren T1 und T2 sind durch die Sekundärwicklung ü2 des Stromwandlers ü überbrückt. Anhand der Zeitdiagramme ausgewählter Signale gemäß Fig. 2 wird nun die Funktion zuvor beschriebener Schaltung aufgezeigt.The base connections of T1 and T2 lead via the common base resistance R1 to the source electrode of the FET F1, or to the terminal K2. The base-emitter lines the transistors T1 and T2 are through the secondary winding ü2 of the current transformer ü bridged. With the aid of the timing diagrams of selected signals according to FIG the function of the circuit described above is shown.

Im Zeitintervall O - t1 fließt im Primärkreis über den elektronischen Schalter S1 ein Energieaufnahmestrom für den Leistungsübertrager W (Fig. 2 erste Zeile gestrichelt).In the time interval O - t1 flows in the primary circuit via the electronic Switch S1 an energy consumption current for the power transformer W (Fig. 2 first Dashed line).

Der eine Speicherinduktivität darstellende Leistungsübertrager W wird magnetisiert. Sekundärseitig kann kein Strom fließen, da der VMOS-FET F1 mit seiner Drain-Source-Diode in Vorwärtsrichtung gesperrt ist. Wird nun zum Zeitpunkt t1 der elektronische Schalter S1 geöffnet, polt sich die Spannung an der Leistungsübertragerwicklung w2 um. Es kann nun ein Energieabgabestrom Ja über die Drain-Source-Diode des FET F1 fließen. Der FET F1 wird nun in Rückwärtsrichtung betrieben.The power transformer W representing a storage inductance becomes magnetized. No current can flow on the secondary side because the VMOS-FET F1 with its Drain-source diode is locked in the forward direction. Now becomes the When the electronic switch S1 is opened at time t1, the voltage at the polarizes Power transformer winding w2 around. There can now be an energy output stream via the Yes Drain-source diode of FET F1 flow. The FET F1 is now reversing operated.

Der Leistungsübertrager wird entmagnetisiert. Zu Beginn dieser Energieabgabephase liegt für den Strom Ja der Drain-Source-Widerstand RD5(0n)Parallel zur Drain-Source-Diode des FET Fl. Der Strom Ja fließt auch durch die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers 0 in gleicher Richtung und verursacht an der Sekundärwicklung 02 eine positive Basis-Emitter-Spannung.The power transmitter is demagnetized. At the beginning of this energy release phase For the current Yes, the drain-source resistor RD5 (0n) is parallel to the drain-source diode of the FET Fl. The current Ja also flows through the primary winding ü1 of the current transformer 0 in the same direction and causes a positive base-emitter voltage on the secondary winding 02.

Der Transistor T2 wird gesperrt und der Transistor T1 wird leitend. Es fließt ein Basisstrom JBT1 (vgl. Fig. 2, Zeile 2).The transistor T2 is blocked and the transistor T1 becomes conductive. A base current JBT1 flows (see FIG. 2, line 2).

Der durchgeschaltete Transistor T1 legt nun den Gateanschluß des FET Fl auf das Potential der Ausgangsspannung (vgl. UG5 Fl in Fig. 2, letzte Zeile). Jetzt befindet sich im Sekundärkreis des Sperrwandlers hinsichtlich des FET nur noch der Drain-Source-Widerstand RDS(on) als Verlustwiderstand. Dadurch daß der Spannungsabfall am Drain-Source-Widerstand RDS(on) kleiner als die Durchlaßspannung der Drain-Source-Diode des FET ist, wird diese nicht wirksam. Ist die Speicherinduktivität - Leistungsübertrager W - entmagnetisiert, und es fließt kein Strom mehr durch die Primärwicklung ü1 des Stromwandlers (vgl. Fig. 2 Zeitpunkt t2), dann baut die Gate-Spannung UGs F1 von FET F1 eine negative Spannung an der Sekundärwicklung U2 über den Basiswiderstand R1 auf. Die Folge davon ist, daß der Transistor T1 gesperrt wird und der Transistor T2 leitend wird (vgl. Fig. 2, Zeile 3, Strom JBT2).The switched through transistor T1 now applies the gate connection of the FET Fl to the potential of the output voltage (see. UG5 Fl in Fig. 2, last line). Now there is only the flyback converter in the secondary circuit with regard to the FET nor the drain-source resistance RDS (on) as a loss resistance. Because the The voltage drop across the drain-source resistor RDS (on) is less than the forward voltage is the drain-source diode of the FET, it will not be effective. Is the storage inductance - Power transformer W - demagnetized, and no more current flows through the Primary winding ü1 of the current transformer (see. Fig. 2 time t2), then the gate voltage builds UGs F1 from FET F1 a negative voltage on the secondary winding U2 via the base resistance R1 on. The consequence of this is that the transistor T1 is blocked and the transistor T2 becomes conductive (see. Fig. 2, line 3, current JBT2).

Der Transistor T2 bleibt solange im Leitendzustand, bis die Gate-Source-Kapazität von FET F1 entladen ist (Fig. 2, Zeitpunkt t3). Nun beträgt UGs F1 ungefähr 0 Volt, sodaß FET F1 sperrt. Während der Restzeit t3 - t4 zwischen der Entmagnetisierung und Magnetisierung des Leistungsübertragers W ist der FET Fl gesperrt. Ab dem Zeitpunkt t4 wiederholt sich der Lade/Entladezyklus. Die Periodendauer T liegt im Mikrosekundenbereich, wohingegen die Zeit t2 - t3 im Nanosekundenbereich liegt. Der Abbildungsmaßstab während t2 - t3 ist in Fig. 2 gedehnt dargestellt. Würde etwa ein Strom von der Last durch den FET F1 fließen wollen, wird dies durch die in Sperrichtung gepolte Source-Drain-Diode des FET F1 verhindert. Es fließt im Sekundärkreis des Sperrwandlers nur ein Strom, wenn der Leistungsübertrager W entmagnetisiert werden soll. Während der übrigen Zeit - Magnetisierung und Restzeit - sperrt der FET F1 wie eine Diode.The transistor T2 remains in the conductive state until the gate-source capacitance is discharged from FET F1 (Fig. 2, time t3). Now UGs F1 is approximately 0 volts, so that FET F1 blocks. During the remaining time t3 - t4 between the demagnetization and magnetization of the power transformer W, the FET Fl is blocked. From the time t4 repeats the Charge / discharge cycle. The period T lies in the microsecond range, whereas the time t2 - t3 is in the nanosecond range. The imaging scale during t2-t3 is shown expanded in FIG. Would be about want a current to flow from the load through the FET F1, this is done by the reverse bias polarized source-drain diode of the FET F1 prevented. It flows in the secondary circuit of the Flyback converter only a current when the power transformer W are demagnetized target. During the rest of the time - magnetization and remaining time - the FET F1 blocks like a diode.

In Fig. 3 ist die Verwendung des Gleichrichterelements nach der Erfindung für einen Flußwandler dargestellt. Der FET F1 ersetzt hierbei die Freilaufdiode des Wandlers. Im Freilaufkreis befindet sich die Primärwicklung ü1 eines Stromwandlers 0 in Serie zur Sekundärwicklung w2 des Leistungsübertragers W. Die Ansteuerung des FET F1 geschieht wie beim zuvor behandelten Ausführungsbeispiel über die Sekundärwicklung ü2 des Stromwandlers 0 und die Transistoren T1 und T2. Der FET F1 wird wie zuvor in Rückwärtsrichtung betrieben. über die gleichen Ansteuermechanismen wie zuvor fließt im Freilaufkreis nur ein Strom Ja wenn die Speicherinduktivität W entmagnetisiert werden. soll. Bei Magnetisierung der Speicherinduktivität W und während der übrigen Zeit sperrt der FET F1 wie eine Diode.In Fig. 3 is the use of the rectifier element according to the invention shown for a flux converter. The FET F1 replaces the freewheeling diode of the converter. The primary winding ü1 of a current transformer is located in the free-wheeling circuit 0 in series with the secondary winding w2 of the power transformer W. The control of the As in the previously discussed exemplary embodiment, FET F1 takes place via the secondary winding ü2 of the current transformer 0 and the transistors T1 and T2. The FET F1 becomes like before operated in reverse direction. using the same control mechanisms as before In the free-wheeling circuit, only a current Yes flows when the storage inductance W demagnetizes will. target. When magnetizing the storage inductance W and during the rest FET F1 blocks time like a diode.

Claims (4)

Patentansprüche: Mit einer Speicherinduktivität beschaltetes gesteuertes Gleichrichterelement, bestehend aus einem in Rückwärtsrichtung betriebenen FET, welcher über einen Übertrager steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (ü) ein Stromwandler ist, dessen Primärwicklung (ül) in Serie zur Schaltstrecke des FET (F1) liegt, daß die Sekundärwicklung (ü2) des Stromwandlers (ü) derart an den Steuereingang des FET (F1) angeschlossen ist, daß letzterem während der Entmagnetisierung der Speicherinduktivität (W) ein Steuersignal zum Durchschalten zuführbar ist und während der Magnetisierung der Speicherinduktivität (W) und einer eventuellen Restzeit zwischen diesen beiden Magnetisierungszyklen ein Durchschalten des FET (F1) unterbleibt. Claims: Controlled one wired with a storage inductance Rectifier element, consisting of an FET operated in reverse direction, which is controllable via a transformer, characterized in that the transformer (ü) is a current transformer whose primary winding (ül) is in series with the switching path of the FET (F1) is such that the secondary winding (ü2) of the current transformer (ü) is so on the control input of the FET (F1) is connected, that the latter during the demagnetization a control signal for switching through can be fed to the storage inductance (W) and during the magnetization of the storage inductance (W) and any remaining time The FET (F1) is not switched through between these two magnetization cycles. 2. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der Freilaufdiode eines Flußwandlers. 2. Use of the rectifier element according to claim 1 instead the freewheeling diode of a forward converter. 3. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 1 anstelle der (den) Diode(n) im Lastkreis eines Sperrwandlers.3. Use of the rectifier element according to claim 1 instead of (the) diode (s) in the load circuit of a flyback converter. 4. Verwendung des Gleichrichterelements nach Anspruch 3 für folgende Beschaltung: - die Drainelektrode des FET (F1) ist'über die Serienschaltung bestehend aus der Sekundärwicklung (w2) der als Sperrwandlerübertrager ausgebildeten Speicherinduktivität (W) und der Primärwicklung (ü1) des Stromwandlers (0) an eine Ausgangsklemme (K1) des Sperrwandlers angeschlossen, - die Sourceelektrode des FET (F1) ist an die andere Ausgangsklemme (K2) des Sperrwandlers angeschlossen, - parallel zu den beiden Ausgangsklemmen (K1, K2) des Sperrwandlers liegt eine Serienschaltung zweier Schaltstrecken zueinander komplementärer Transistoren (Tl, T2), - der gemeinsame Verbindungspunkt der Schaltstreckenelektroden der Transistoren (T1, T2) führt zum Gateanschluß des FET (Fl) sowie über die Sekundärwicklung (ü2) des Stromwandlers (0) zu den Steuerelektroden der komplementären Transistoren (Tl, T2), - die Steuerelektroden der beiden zueinander komplementären Transistoren (T1, T2) sind über einen gemeinsamen Basiswiderstand (Rl) mit der Sourceelektrode des FET (F1) verbunden.4. Use of the rectifier element according to claim 3 for the following Wiring: - the drain electrode of the FET (F1) consists of the series connection from the secondary winding (w2) of the storage inductance designed as a flyback transformer (W) and the primary winding (ü1) of the current transformer (0) to an output terminal (K1) of the flyback converter, - the source electrode of the FET (F1) is connected to the other Output terminal (K2) of the flyback converter connected - parallel to the two output terminals (K1, K2) of the flyback converter is a series connection of two switching paths to one another complementary transistors (T1, T2), - the common connection point of the switching path electrodes the transistors (T1, T2) leads to the gate connection of the FET (F1) and via the secondary winding (ü2) of the current transformer (0) to the control electrodes of the complementary transistors (Tl, T2), - the control electrodes of the two mutually complementary transistors (T1, T2) are via a common base resistor (Rl) with the source electrode of the FET (F1) connected.
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